基于嵌入式的农田自动灌溉系统设计

杨淳清

(成都锦城学院，四川 成都 611731)

0 引言

农田灌溉是农业生产的重要环节，传统模式下，主要依靠手工灌溉或半自动化灌溉管理，存在效率低下、灌溉水量难以精确度量等问题，不利于田间灌溉作业效能的提升。基于嵌入式技术、传感器技术、物联网技术和PLC技术设计一体化的农田自动灌溉系统，通过传感器精确采集田间温度、光照、湿度等数据，反馈给嵌入式STM32处理器综合运算，将田间温度、光照和湿度作为确定灌溉水量的综合依据，建立起灌溉数据Web存储平台，再通过PLC对灌溉水泵电机进行精准控制，可实现无人值守自动化灌溉的目标。

1 系统设计需求与整体结构

1.1 设计需求

本系统设计包括控制需求和功能需求两部分。首先，控制需求，通过引入嵌入式技术，实现对农田灌溉作业的全自动化控制，并能够及时采集、存储和反馈农田灌溉现场的环境数据，为用户提供可查询、编辑、修改的农田灌溉依据；其次，功能需求，设计农田灌溉现场环境数据采集功能、数据组网存储功能、灌溉数据运算整理功能、灌溉电机自动控制功能等，通过嵌入式技术对各功能进行整合，围绕农田自动灌溉需求进行控制，最终实现灌溉功能。其功能为：①农田现场数据采集反馈响应平均时间<2 s。②灌溉电机控制水泵出水量与预设量误差<3%。③灌溉管理自动化作业响应准确度>90%。

1.2 整体结构

本系统整体结构分为3个模块：①采集传感模块。由温度传感器DS18B20、湿度传感器HIH-4000、光照传感器FM-GZ和嵌入式微控制器STM32F407组成。实际工作时，传感器实时采集田间的温度、湿度和光照度数据，作为是否进行灌溉作业以及灌溉水量的依据，反馈给STM32微控制器处理。②网络存储控制模块。由TLG09UA01 WIFI模块、WEB服务器和移动终端组成。实际工作时，WIFI模块实时接收STM32传输的田间灌溉数据，上传至WEB服务器，用户可使用移动终端登录服务器查看，并进行灌溉参数设置，再反馈给STM32处理。③自动灌溉输出模块。由西门子S7-200型PLC、MM440变频器和水泵电机组成。实际工作时，PLC与STM32通过RS485进行实时通信，根据田间灌溉的需求，基于USS通信协议自动控制变频器输出频率，实现对水泵电机启停及转动频率的调整，达到对农田精准灌溉的控制目的。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 系统硬件设计

2.1 Wi-Fi模块设计

Wi-Fi模块作用是连接STM32和Web服务器，实现系统网络人机交互控制，搭建物联网生态控制体系的桥梁。本项目选择北京大中华电子设计有限公司研发的TLG09UA01模块，该模块自带UART接口，具有连接便利、通信稳定、网络输入输出特性优越等特点，能够与STM32通过插针的方式便捷连接和通信。在具体的硬件连接上，STM32通过UART1接口与外部传感器相连，通过UART2接口与TLG09UA01模块进行如下设置：①将Wi-Fi模块设置为全双工模式，等待接收和发送STM32的数据。②登录Web服务器界面，输入Wi-Fi模块的虚拟地址，并进行注册、登录、桥接等通信测试。③测试用户移动终端是否能查看和编辑Web平台上的灌溉数据，以验证Wi-Fi模块工作的有效性。

2.2 传感器模块设计

本系统选用由温度传感器DS18B20、湿度传感器HIH-4000和光照传感器FM-GZ，用于采集农田现场的温度、湿度和光照度，作为田间自动灌溉作业的依据。①温度传感器设计。DS18B20为高精度可编程数字温度传感器，能够高效地采集环境实时温度，将其DQ引脚与STM32任意I/O端口连接，便可实时采集环境温度，并与STM32进行数据通信。②湿度传感器设计。HIH-4000是HONEYWELL公司研发的高精度数字湿度传感器，精度达到+3.5%RH ，采用低功耗设计理念，具有较好的稳定性以及抗化学腐蚀等优质性能，将其输出引脚与STM32任意I/O端口连接，便能采集农田湿度数据。③光照传感器设计。FM-GZ为高精度数字光照型传感器，可采集的光照强度范围为0～200 Klux，通过RS485接口与STM32连接，采集农田间的实时光照强度。

2.3 硬件地址分配

本系统PLC与STM32之间通过RS485接口进行通信，PLC与变频器之间通过USS协议进行通信连接，具体的硬件地址分配如表1所示，其中，I0.0和I0.1分别为正常启动和停止变频器的输入控制端子，I0.5和I0.6分别为控制变频器以50%和100%额定频率启动的输入端子，后期通过程序编译，可实现PLC控制变频器以不同的频率启动，达到对水泵电机转速的控制，最终对灌溉水流量进行精准控制。

表1 PLC硬件地址分配表

3 系统软件设计

3.1 STM32数据采集传输

如图2所示，系统启动后，田间的温度、湿度、光照传感器开始实时采集数据，并传输给STM32模块进行运算处理后，直接传送至Wi-Fi模块，由Wi-Fi模块对数据进行提取、封装、整理等处理，转化为Web服务器可直接识别的数据类型后，发送到Web服务器端。Web服务器与Wi-Fi模块之间采用全双工通信模式，可对灌溉数据的发送和接收情况进行实时响应。此外，设计Web服务器与用户移动终端之间的访问交互子系统，用户可运用智能手机、平板电脑等移动设备，随时随地访问Web服务器，获取田间灌溉情况的实时数据，并对灌溉参数进行调整。

图2 STM32数据采集传输流程图

3.2 PLC与灌溉变频器USS通信设计

PLC与变频器之间进行USS通信的程序如图3所示，频率设定地址为MD20，程序执行流程为：①PLC上电后，执行网络1程序，设置波特率为9 600，变频器站号为2#，PPRT0为USS协议执行端口。②变频器接收到STM32数据后，根据控制要求执行灌溉作业：当I0.0被置1时，变频器按照30%频率输出，控制水泵电机启动输出相应水量；当I0.5被置1时，变频器按照50%频率输出，控制水泵电机启动输出相应水量；当I0.6被置1时，变频器按照100%频率输出，控制水泵电机启动输出相应水量；当I0.1被置1时，变频器控制水泵电机停止灌溉，上述作业过程完全基于自动化控制场景完成。

图3 PLC与变频器之间的USS通信程序

4 结语

系统设计并装配完成后，在田间进行灌溉试验，结果显示：用户可在移动终端登录服务器查看和设置灌溉数据，系统能够根据用户预设灌溉值进行全自动化灌溉作业，灌溉出水量、控制响应时间、数据传输通信效率等均达到预期效果，说明本系统具有一定的应用性和可靠性。随着嵌入式技术不断发展，相信会有越来越多的系统设计理念应用到农业生产中，对提高农业自动化生产水平以及构建高效农业生产物联网体系起到积极作用。